DE69608047T2

DE69608047T2 - Methode zur gewinnung eines sauerstoffreichen gases

Info

Publication number: DE69608047T2
Application number: DE69608047T
Authority: DE
Inventors: Kazuo Haruna; Masanori Miyake; Hiroaki Sasano
Original assignee: Sumitomo Seika Chemicals Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Seika Chemicals Co Ltd
Priority date: 1995-03-02
Filing date: 1996-02-26
Publication date: 2001-01-11
Anticipated expiration: 2016-02-27
Also published as: JP3309197B2; CA2189232A1; DE69608047D1; EP0758625A1; EP0758625B1; TW418109B; JPH08239204A; AU4732196A; KR970702753A; KR100199226B1; CA2189232C; US5755856A; EP0758625A4; ES2144726T3; WO1996026894A1; CN1150788A; AU677931B2; CN1044106C

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gewinnung sauerstoffangereicherten Gases. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Anreicherung und Gewinnung von Sauerstoff mittels Druckwechseladsorption (nachfolgend als "PSA" bezeichnet) aus einem Gasgemisch, welches hauptsächlich Stickstoff und Sauerstoff beinhaltet.

Stand der Technik

Mittels eines PSA-Verfahrens erhaltener Sauerstoff wird in großem Umfang in industriellen Gebieten eingesetzt, in denen kontinuierlich Sauerstoff verbraucht wird. Spezifische Anwendungsbeispiele, die den notwendigen Einsatz von durch ein PSA-Verfahren erhaltenen Sauerstoff zeigen, umfassen die elektrische Stahlherstellung, die Belüftung mit Sauerstoff in der Wasseraufbereitung, die Zellstoffbleichung und die Ozonierer. Ferner hat in den vergangenen Jahren sauerstoffangereichertes Gas den Platz von Luft in der Verbrennung zur Erreichung einer Stickstoffoxidreduktion und einer Effizienzverbesserung eingenommen. Zusätzlich wird sauerstoffangereichertes Gas auch in dem Gebiet der Biochemie, wie bei der Fermentierung, eingesetzt.
Es gibt unterschiedliche vorbekannte PSA-Verfahren zur Anreicherung von Sauerstoff, in denen zwei bis vier Adsorber eingesetzt werden, um sich dauernd wiederholend Adsorption, Druckerniedrigung, Desorption und Druckerhöhung zum Erhalten von sauerstoffangereichertem Gas mit hoher Ausbeute durchzuführen. Insbesondere sind verschiedene Verbesserungen gemacht worden, um die anfänglichen Kosten, laufenden Kosten und Unterhaltskosten mit Bezug zu PSA unter Einsatz von zwei Adsorbern herabzusetzen.
Zum Beispiel, entsprechend dem PSA-Verfahren, welches in jeder der japanischen Patentveröffentlichungen Nr. 1-236914, 2-119915, 4-222613 und 4- 505448 offenbart ist, strömt Produktsauerstoff aus einem Produktgas- Vorratsbehälter in jeden Adsorber zur Druckerhöhung in einem Druckerhöhungsschritt zurück. Dies ist nötig, da in dem Gasgemisch enthaltener Stickstoff aus dem Ausgang des Adsorbers entweichen kann, wenn die Druckerhöhung nur durch Einleiten des Gasgemisches durch den Eingang jedes Adsorbers durchgeführt wird. Daher wurde es gewöhnlich zum Erhalten des hochkonzentrierten Sauerstoffs mit hoher Ausbeute als notwendig erachtet, solch ein Entweichen durch Zurückfließen von Produktsauerstoff durch den Ausgang des Adsorbers zu verhindern.
Jedoch hat der Rückfluß von Produktsauerstoff zur Druckerhöhung des Adsorbers eine Verschwendung von Energie zur Folge. Dies rührt daher, daß einmal aus dem Adsorber in dem Produktsauerstoff-Vorratsbehälter mittels Verbrauch von Energie herausbefördertes Produktgas zurück in den Adsorber in einem Druckerhöhungsschritt zurückfließen muß und dann wieder in den Vorratsbehälter zurückkehren muß.
Andererseits ist ein PSA-Verfahren, welches nicht den Produktsauerstoff zur Druckerhöhung einsetzt, aus der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 6-170 bekannt. Gemäß diesem bekannten PSA-Verfahren wird ein Ausgang eines Adsorbers, der die Adsorption beendet hat, mit einem Ausgang eines weiteren Adsorbers, in welchem die Desorption beendet worden ist, mittels einer Druckausgleichsverbindung verbunden, um von dem Adsorber, in dem der Druck erniedrigt wird, abgegebenes, verbleibendes sauerstoffangereichertes Gas in den Adsorber, in dem der Druck erhöht wird, zur Druckerhöhung (ausgleichende Druckerhöhung) einzuleiten und somit die Druckerhöhung mittels zurückfließendem Produktsauerstoff zu ersetzen. Anschließend wird in dem Adsorber, in welchem eine Ausgleichsdruckerhöhung stattgefunden hat, der Druck durch Einleiten des Gasgemisches erhöht, wohingegen in dem Adsorber, in dem eine Ausgleichsdruckerniedrigung stattgefunden hat, eine evakuierende Desorption (druckerniedrigende Desorption) mittels einer Vakuumpumpe stattfindet.
Jedoch wird gemäß dem vorgehenden PSA-Prozeß die Vakuumpumpe in dem Druckerhöhungsschritt durch Druckausgleich zwischen den beiden Adsorbern im Leerlauf betrieben, so daß die Energie der Vakuumpumpe verschwendet wird. Ferner wird der Druckausgleich zwischen den beiden Adsorbern nicht bis zu dem Punkt durchgeführt, wo zwischen den beiden Adsorbern kein Druckunterschied herrscht, so daß die geregelte Gewinnung des verbleibenden sauerstoffangereicherten Gases das Ausmaß bestimmt, mit welchem der Adsorber, in dem der Druck erhöht wird, unter Druck gesetzt wird. Somit wird verbleibendes sauerstoffangereichertes Gas unzureichend gewonnen und eingesetzt.

Offenbarung der Erfindung

Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches in der Lage ist, die Energie der Vakuumpumpe effektiv einzusetzen, während sauerstoffangereichertes Gas mit einer hohen Sauerstoffkonzentration und einer hohen Ausbeute gewonnen wird.
Um die obige Aufgabe zu erfüllen, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Gewinnung sauerstoffangereicherten Gases als Produktgas mittels Druckwechseladsorption unter Gebrauch eines ersten und eines zweiten Adsorbers bereit, die jeweils mit einem Adsorbens gefüllt sind, das selektiv Stickstoff aus einer Gasmischung von größtenteils Stickstoff und Sauerstoff adsorbiert, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:
Schritt 1, in dem ein unter einem minimalen Druck stehender Ausgang des ersten Adsorbers mit einem unter einem maximalen Druck stehenden Ausgang des zweiten Adsorbers über eine Druckausgleichsverbindung verbunden wird, um verbleibendes, von dem zweiten Adsorber, in dem der Druck verringert wird, abgegebenes, sauerstoffangereichertes Gas zur Druckerhöhung und zur Gewinnung in den ersten Adsorber zu leiten, wobei desorbierter Stickstoff mittels einer Vakuumpumpe durch einen Eingang des ersten Adsorbers abgepumpt wird;
Schritt 2, in dem, während die Verbindung zwischen dem Ausgang des ersten und dem Ausgang des zweiten Adsorbers mittels einer Druckausgleichsverbindung besteht, verbleibendes, von dem zweiten Adsorber, in dem der Druck verringert wird, weiter abgegebenes, sauerstoffangereichertes Gas in den ersten Adsorber zur weiteren Druckerhöhung und zur Gewinnung geleitet wird, wobei das Gasgemisch durch den Eingang des ersten Adsorbers eingeleitet wird und desorbierter Stickstoff mittels der Vakuumpumpe durch einen Eingang des zweiten Adsorbers abgepumpt wird;
Schritt 3, in dem der Ausgang sowohl des ersten Adsorbers als auch des zweiten Adsorbers geschlossen sind und das Gasgemisch durch den Eingang des ersten Adsorbers zur weiteren Druckerhöhung des ersten Adsorbers eingeleitet wird, wobei desorbierter Stickstoff weiter mittels der Vakuumpumpe durch den Eingang des zweiten Adsorbers abgepumpt wird;
Schritt 4, in dem der Ausgang des ersten Adsorbers geöffnet ist, der Ausgang des zweiten Adsorbers geschlossen ist und das Gasgemisch durch den Ein gang des ersten Adsorbers zwecks Entnahme des sauerstoffangereicherten Gases aus dem Ausgang des ersten Adsorbers zur anschließenden Druckerhöhung auf den maximalen Druck eingeleitet wird, wobei desorbierter Stickstoff mittels der Vakuumpumpe durch den Eingang des zweiten Adsorbers abgepumpt wird, bis der minimale Druck erreicht ist;
Schritt 5, in dem der unter dem maximalen Druck stehende Ausgang des ersten Adsorbers wieder mit dem unter einem minimalen Druck stehenden Ausgang des zweiten Adsorbers mittels der Druckausgleichsverbindung verbunden wird, um verbleibendes, von dem ersten Adsorber, in dem der Druck verringert wird, abgegebenes, sauerstoffangereichertes Gas zur Druckerhöhung und zur Gewinnung in den zweiten Adsorber zu leiten, wobei desorbierter Stickstoff mittels der Vakuumpumpe durch den Eingang des zweiten Adsorbers abgepumpt wird;
Schritt 6, in dem, während die Verbindung zwischen dem Ausgang des ersten und dem Ausgang des zweiten Adsorbers mittels der Druckausgleichsverbindung besteht, verbleibendes, von dem ersten Adsorber, in dem der Druck verringert wird, weiter abgegebenes, sauerstoffangereichertes Gas zur weiteren Druckerhöhung und Gewinnung in den weiteren Adsorber geleitet wird, wobei das Gasgemisch durch den Eingang des zweiten Adsorbers eingeleitet wird und desorbierter Stickstoff mittels der Vakuumpumpe durch den Eingang des ersten Adsorbers abgepumpt wird;
Schritt 7, in dem Ausgang sowohl des ersten Adsorbers als auch des zweiten Adsorbers geschlossen sind und das Gasgemisch durch den Eingang des zweiten Adsorbers zur weiteren Druckerhöhung des zweiten Adsorbers eingeleitet wird, wobei desorbierter Stickstoff weiter mittels der Vakuumpumpe durch den Eingang des ersten Adsorbers abgepumpt wird; und
Schritt 8, in dem der Ausgang des zweiten Adsorbers geöffnet ist, der Ausgang des ersten Adsorbers geschlossen ist und das Gasgemisch durch den Eingang des zweiten Adsorbers zwecks Entnahme des sauerstoffangereicherten Gases aus dem Ausgang des zweiten Adsorbers zur abschließenden Druckerhöhung auf den maximalen Druck eingeleitet wird, wobei desorbierter Stickstoff mittels der Vakuumpumpe durch den Eingang des ersten Adsorbers abgepumpt wird, bis der minimale Druck erreicht ist;
wobei kein Schritt der Druckerhöhung der beiden Adsorber einen Rückstrom des Produktgases ausnutzt.
Das Druckgleichgewicht mit Bezug zur Adsorption und Desorption ist abhängig von den Eigenschaften und der Leistung des Adsorbens. Gewöhnlich jedoch beträgt der maximale (Adsorptions)druck 0,1-1,0 kg/cm² G (111-199 KPa), vorzugsweise 0,3-0,7 kg/cm² G (131-170 kPa), wobei der minimale (Desorptions)druck 150-400 Torr (20-53 kPa), vorzugsweise 200-350 Torr (27-47 kPa) beträgt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zwischen dem Schritt 1 und dem Schritt 2 Schritt 2a eingefügt, in dem, während die Verbindung zwischen dem Ausgang des ersten und dem Ausgang des zweiten Adsorbers mittels der Druckausgleichsverbindung besteht und der Eingang des ersten Adsorbers geschlossen ist, verbleibendes, von dem zweiten, unter verringertem Druck stehenden Adsorber weiter abgegebenes, sauerstoffangereichertes Gas zur weiteren Druckerhöhung und zur Gewinnung in den ersten Adsorber geleitet wird, wobei desorbierter Stickstoff mittels der Vakuumpumpe durch den Eingang des zweiten Adsorbers abgepumpt wird. Ferner wird Schritt 6a zwischen die Schritte 5 und 6 eingefügt, in dem, während die Verbindung zwischen dem Ausgang des ersten und dem Ausgang des zweiten Adsorbers mittels der Druckausgleichsverbindung besteht und der Eingang des zweiten Adsorbers geschlossen ist, verbleibendes, von dem er sten, unter verringertem Druck stehenden Adsorber weiter abgegebenes, sauerstoffangereichertes Gas zur weiteren Druckerhöhung und zur Gewinnung in den zweiten Adsorber geleitet wird, wobei desorbierter Stickstoff mittels der Vakuumpumpe durch den Eingang des ersten Adsorbers abgepumpt wird.
Die vorliegende Erfindung besitzt zwei wichtige Merkmale. Das erste Merkmal liegt darin, daß die Druckerhöhung mittels Zurückfließen des Produktsauerstoffs nicht durchgeführt wird (obwohl ein Vorratsbehälter für das Produktsauerstoffgas vorhanden sein kann, solange der Produktsauerstoff nicht zur Druckerhöhung mittels Rückstrom eingesetzt wird). Gewöhnlich wird die Druckerhöhung in dem Adsorber, in dem die Desorption stattgefunden hat, durch Rückstrom von Produktsauerstoff aus dem Vorratsbehälter durchgeführt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dagegen eine entsprechende Menge von Produktgas aus einem benachbarten Adsorber gewonnen, in welchem die Adsorption beendet worden ist. Als Ergebnis wird die Sauerstoffgewinnungsausbeute im Ganzen vorteilhafterweise erhöht.
Das zweite Merkmal liegt darin, daß die Gewinnung des sauerstoffangereicherten Gases vollständig durch Druckausgleich zwischen den beiden Adsorbern durchgeführt wird. Dieses Merkmal wird durch Erhöhung des Drucks in jedem Adsorber in mindestens zwei nachfolgenden Schritten (Schritte 1, 2 und 5, 6) realisiert. Gemäß dem in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 6- 170 veröffentlichten Verfahren wird die Gewinnung von sauerstoffangereichertem Gas (Druckausgleich) nur in einem Schritt durch Verbindung der Ausgänge der beiden Adsorber durchgeführt, so daß ein Übergang zu dem nächsten Verfahrensschritt stattfindet, während immer noch eine Druckdifferenz zwischen den beiden Adsorbern herrscht. Gemäß der vorliegenden Erfindung dagegen wird die Gewinnung des sauerstoffangereicherten Gases schrittweise in zwei oder drei aufeinanderfolgenden Schritten durchgeführt, so daß der Druckausgleich im ganzen Ausmaß stattfindet, bis im wesentlichen kein Druckunterschied zwischen den beiden Adsorbern mehr herrscht. Insbesondere ist der zwischen die Schritte 1 und 2 eingefügte Schritt 2a wirksam zur Gewinnung von sauerstoffangereichertem Gas ohne Verlust von sauerstoffangereichertem Gas, da, falls der Druckausgleich in Schritt 1, in einem Versuch die Sauerstoffausbeute übermäßig zu steigern, durchgeführt wird, das gewonnene sauerstoffangereicherte Gas in die Entnahmeleitung entweichen kann. Als Ergebnis ist es möglich, in bemerkenswerter Weise die Sauerstoffausbeute und die erhaltbare Sauerstoffmenge pro Einheit Adsorbens zu steigern.
Während der Druckerhöhung in dem einen Adsorber mittels Druckausgleichs beinhaltet das sauerstoffangereicherte Gas, welches von dem anderen Adsorber eingeleitet wird, eine kleine Menge Stickstoff, welcher während der Druckerniedrigung desorbiert wurde. Jedoch kann die geringe Menge Stickstoff in ausreichendem Maße von dem regenerierten Adsorbens in der Nähe des Ausgangs des einen Adsorbers adsorbiert werden. Daher wird nachfolgend in den einen Adsorber eingeleiteter, in der Gasmischung beinhalteter Stickstoff in fortschreitender Weise vom Eingang aus mittels seines Adsorbens adsorbiert, so daß Stickstoff nicht in das Produktgas freigesetzt wird und somit der Sauerstoffanreicherung abträglich sein wird. Somit ist es nicht nötig, Produktsauerstoff zur Druckerhöhung, im Gegensatz zum Verfahren nach dem Stand der Technik, einzusetzen. Folglich ist es möglich, das Verschwenden von Energie durch Halbierung der benötigten Energie zur Vorwärts- und Rückwärtsförderung von Produktsauerstoff zwischen jedem Adsorber und dem Produktsauerstoff-Vorratsbehälter zu vermeiden.
Ferner kann gemäß der vorliegenden Erfindung, da die Vakuumpumpe ständig zur desorbierenden Evakuierung der Adsorber während des gesamten Verfahrens eingesetzt wird, die Energie der Vakuumpumpe effektiv eingesetzt werden, im Gegensatz zu dem Verfahren, welches aus dem japanischen Patent Nr. 6-170 bekannt ist, indem die Vakuumpumpe im Leerlauf betrieben wird.
Der Ausgang des ersten Adsorbers und der Ausgang des zweiten Adsorbers können immer in gegenseitiger Verbindung mittels einer Druckausgleichsüberbrückung mit einem Drosselventil in Verbindung gehalten werden. Die technische Bedeutung dieses Merkmals wird nachfolgend beschrieben werden.
Ferner kann die Zuleitung des Gasgemisches an den Adsorber, in welche der Druck erhöht wird, sowohl durch ein Druckversorgungsmittel als auch durch natürliche Versorgung mit Atmosphärendruck in den Schritten 2, 3, 6 und 7 erfolgen. Die technische Bedeutung dieses Merkmals wird auch nachfolgend beschrieben werden.
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden sich aus der mit Bezug zu den beiliegenden Zeichnungen folgenden Beschreibung der Ausführungsformen ergeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführung einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Gewinnung sauerstoffangereicherten Gases gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine Zeitablauftabelle, die die Verfahrensschritte des Beispiels der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 3 zeigt ein Flußdiagramm, welches die entsprechenden Verfahrensschritte aus Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 4 zeigt eine Zeitablauftabelle, die die Verfahrensschritte des Beispiels 2 der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 5 ist ein Flußdiagramm, welches die entsprechenden Verfahrensschritte des Beispiels 2 der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 6 zeigt ein Flußdiagramm, welches die entsprechenden Verfahrensschritte des Beispiels 3 der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 7 ist eine schematische Ansicht, welche die Anordnung einer in dem vergleichenden Beispiel 1 eingesetzten Vorrichtung darstellt;
Fig. 8 ist eine Zeitablauftabelle, die die Verfahrensschritte des vergleichenden Beispiels 1 darstellt; und
Fig. 9 ist eine Zeitablauftabelle, die die Verfahrensschritte des vergleichenden Beispiels 2 darstellt.

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.

(Ausführung der Vorrichtung)

Fig. 1 zeigt ein Beispiel der Ausführung einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Gewinnung von sauerstoffangereichertem Gas gemäß der vorliegenden Erfindung.
In derselben Figur bezeichnen die Bezugszeichen A und B die jeweiligen Adsorber (in den Ansprüchen als erster und zweiter Adsorber bezeichnet). Jeder der Adsorber A, B ist mit einem Adsorbens (zum Beispiel CaA-Typ Zeolit) gefüllt, welches geeignet ist, Stickstoff aus einer Gasmischung (normalerweise Luft), welche hauptsächlich Sauerstoff und Stickstoff beinhaltet, selektiv zu adsorbieren. Die jeweiligen Adsorber A, B sind an ihrer Unterseite mit einer ge meinsamen Versorgungsleitung 1 mittels versorgungsseitiger Abzweigleitungen 1a, 1b verbunden, welche mit entsprechenden Schaltventilen (Auf-Zu- Ventilen) 2a, 2b versehen sind. Die Versorgungsleitung 1 ist mit einem Gasgemischgebläse 3 zum selektiven Versorgen der Adsorber A oder B mit dem Gasgemisch durch die offenen Schaltventile 2a oder 2b versehen.
Eine Versorgungs-Umgehungsleitung 5 mit einem Schaltventil 4 kann zur Umgehung des Gasgemischgebläses 3 vorgesehen sein. Durch diese Anordnung kann der natürliche Versorgungsdruck des Gasgemisches selber zusätzlich zu dem Gebläse 3 zur Versorgung mit dem Gasgemisch eingesetzt werden, wenn der natürliche Versorgungsdruck (d. h. Atmosphärendruck) des Gasgemisches höher als der Druck des entsprechenden Adsorbers A oder B (d. h., falls der Druck des entsprechenden Adsorbers A oder B negativ wird) wird. Folglich kann die Leistung des Gebläses 3 zur Realisierung einer Verringerung des Energieverbrauchs entsprechend reduziert werden. Es sollte jedoch zur Kenntnis genommen werden, daß die Versorgungs-Umgehungsleitung 5 nur ein bevorzugtes Bauteil ist und daß ein anderes natürliches Versorgungsmittel anstelle der Versorgungs-Umgehungsleitung gewählt werden kann.
Die Adsorber A, B sind auch an ihrer jeweiligen Unterseite mit einer gemeinsamen Abzugsleitung 6 mittels abzugsseitiger Abzweigleitungen 6a, 6b verbunden, welche mit entsprechenden Schaltventilen 7a, 7b versehen sind. Die Abzugsleitung 6 ist mit einer Vakuumpumpe 8 zum selektiven Evakuieren des entsprechenden Adsorbers A oder B durch die offenen Schaltventile 7a oder 7b versehen.
Andererseits sind die Adsorber A, B an ihren entsprechenden Oberseiten mit einer gemeinsamen Entnahmeleitung 9 zur Entnahme von Produktsauerstoffgas mittels unabhängiger Entnahmeleitungen 9a, 9b verbunden. Jede der Entnahmeleitungen 9a, 9b ist mit einem entsprechenden Schaltventil 10a, 10b versehen, wohingegen die Entnahmeleitung 9 mit einem rückflußverhindernden Mittel 11 (zum Beispiel einem Absperrventil) versehen ist. Somit kann das Produktsauerstoffgas selektiv aus jedem der Adsorber A, B mittels selektivem Öffnen und Verschließen der entsprechenden Schaltventile 10a, 10b entnommen werden, wohingegen ein Rückstrom des Produktsauerstoffgases durch das rückflußverhindernde Mittel 11 verhindert wird. Es sollte bemerkt werden, daß anstelle der Bereitstellung des rückflußverhindernden Mittels 11 die Schaltventile 10a, 10b der entsprechenden Entnahmeleitung 9a, 9b als rückflußverhinderndes Mittel durch Steuerung der Schließ-/Öffnungszeiten der Schaltventile dienen können.
Die unabhängigen Entnahmeleitungen 9a, 9b sind miteinander mittels einer Druckausgleichsverbindung 12 verbunden, welche mit einem Schaltventil 13 versehen ist. Ferner ist eine Druckausgleichsüberbrückung 15 mit einem Drosselmittel 14 zur Umgehung des Schaltventils 13 der Druckausgleichsverbindung 12 vorgesehen. Somit fließt, sogar wenn das Schaltventil 13 geschlossen ist, eine kleine Menge Gas zwischen den beiden Adsorbern A, B durch die Druckausgleichsüberbrückung 15 (deren technische Vorteile nachfolgend beschrieben werden), solange wie ein Druckunterschied zwischen beiden Adsorbern A, B besteht. Normalerweise wird als Drosselmittel von einer Düse Gebrauch gemacht, aber ein Drosselventil wie ein Nadelventil kann auch zur Erreichung des gleichen Ergebnisses eingesetzt werden. Es sollte zur Kenntnis genommen werden, daß das Drosselmittel 14 nur ein bevorzugtes Bauteil ist.
Das Verfahren zur Gewinnung sauerstoffangereicherten Gases gemäß der vorliegenden Erfindung kann in der folgenden Weise durch den Gebrauch der oben beschriebenen Vorrichtung durchgeführt werden. In jeder der nachfolgenden Ausführungsformen ist jeder der Adsorber A, B 600 mm im Durchmesser und 2500 mm hoch und mit einem CaA-Typ Zeolit als Adsorbens gefüllt.

(Ausführungsform 1)

Fig. 2 und 3 entsprechen der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. Fig. 2 ist eine Verfahrensablauftabelle, welche alle Verfahrensschritte über der Zeit zeigt, wohingegen Fig. 3 ein Flußdiagramm ist, welches den Gasfluß in den entsprechenden Verfahrensschritten darstellt. Die in den Fig. 2 und 3 benutzten Abkürzungen werden wie folgt definiert, und diese Abkürzungen finden auch in den Fig. 4-6, 8 und 9, die nachfolgend zu beschreiben sind, Anwendung.
AS: Adsorption
DS: Desorption
PZ: Druckerhöhung
DP: Druckerniedrigung
Für die Zweckmäßigkeit der Beschreibung wird angenommen, daß in dem Adsorber A mit Erreichung eines niedrigsten Druckes von zum Beispiel 150-400 Torr (20-53 kPa) die Desorption beendet worden ist, wohingegen in dem Adsorber B mit Erreichung eines höchsten Druckes von zum Beispiel 0,1-1,0 kg/cm² G (111-199 kPa) die Adsorption beendet worden ist. Ferner ist in der Ausführungsform die Druckausgleichsüberbrückung 15 (Fig. 1) mit dem Drosselmittel 14 nicht vorgesehen.
In Schritt 1 wird unter den oben beschriebenen Bedingungen die Druckerhöhung 1 in dem Adsorber A durchgeführt, wohingegen in dem Adsorber B die Druckerniedrigung 1 ausgeführt wird. In Schritt 1 werden ausdrücklich nur die Schaltventile 7a, 13 (Fig. 1) offengehalten, um verbleibendes, sauerstoffangereichertes Gas von dem Adsorber B in den Kopf des Adsorbers A mittels der Druckausgleichsverbindung 12 hineintreten zu lassen, wobei das verbleibende, sauerstoffangereicherte Gas eine geringe Menge Stickstoff, welcher von dem Adsorbens des Adsorbers B desorbiert worden ist, beinhaltet. Andererseits wird verbleibender desorbierter Stickstoff von der Vakuumpumpe 8 durch den Boden des Adsorbers A abgepumpt, um mittels der abzugsseitigen Abzweigleitung 6a und der Abzugsleitung 6 abzuströmen.
Da in dem Adsorber A die Desorption schon stattgefunden hat, wird eine geringe Menge des von dem Adsorber B in Schritt 1 eingeführten Stickstoffs in effektiver Weise von dem Adsorbens in der Nähe des Kopfes des Adsorbers A adsorbiert. Mit Bezug zu dem Adsorbens des Adsorbers A als Ganzes gesehen, wird somit kein großer Einfluß auf die nachfolgende Adsorption von Stickstoff aus der Gasmischung vorliegen.
Andererseits reinigt das verbleibende, sauerstoffangereicherte Gas, welches von dem Adsorber B in den Adsorber A zusammen mit einer geringen Menge von Stickstoff eingeführt wurde, in effektiver Weise das Adsorbens des Adsorbers A. Zu diesem Zeitpunkt, da das Ausmaß der Evakuierung durch die Vakuumpumpe 8 kleiner ist als das Ausmaß des von dem Adsorber B in den Adsorber A fließenden Gases, findet in dem Adsorber A in einem gewissen Ausmaß eine Druckerhöhung statt. Zusätzlich, aufgrund der Kapazität des Adsorbers A selber, wird verbleibendes Sauerstoffgas von dem Adsorber B nicht bis zu einem Punkt des Ausströmens von dem Adsorber A in Richtung der Vakuumpumpe 8 abgepumpt werden.
Der oben beschriebene Schritt 1 dauert zum Beispiel 10 Sekunden. Folglich ist der Druck in dem Adsorber A bis zu einem Druck von zum Beispiel 200-500 Torr (27-67 kPa) erhöht worden, wohingegen der Druck in dem Adsorber B bis zu einem Druck von 700 Torr-0,2 kg/cm² G (93-121 kPa) vermindert wurde.
In dem nachfolgenden Schritt 2 werden nur die Schaltventile 2a, 4, 7b, 13 (Fig. 1) offengehalten. Deshalb findet in dem Adsorber A eine Druckerhöhung 2 statt, wohingegen in dem Adsorber B eine Druckerniedrigung 2 stattfindet. Insbesondere wird weiterhin verbleibendes, eine geringe Menge von Stickstoff beinhaltendes, sauerstoffangereichertes Gas von dem Adsorber B in den Ad sorber A durch dessen Kopf mittels der Druckausgleichsverbindung 12 eingeführt, wohingegen das Gasgemisch über die versorgungsseitige Abzweigleitung 1a und die Versorgungsleitung 1 in den Adsorber A über dessen Boden gespeist wird. Zu diesem Zeitpunkt findet, da der Druck in dem Adsorber A unterhalb des atmosphärischen Drucks gehalten wird, sowohl die natürliche Versorgung über die Versorgungs-Umgehungsleitung 5 zusätzlich zu der Druckversorgung mittels des Gebläses 3 statt. Ferner wird in derselben Weise wie im Schritt 1 eine geringe Menge Stickstoff aus dem Adsorber B in effektiver Weise von dem Adsorbens in der Nähe des Kopfes des Adsorbers A aufgenommen.
Andererseits wird als Ergebnis der Druckerniedrigung in dem Adsorber B desorbierter Stickstoff von der Vakuumpumpe 8 zum Ausströmen über die abzugsseitige Abzweigleitung 6b und die Abzugsleitung 6 abgepumpt.
Der oben beschriebene Schritt 2 wird zum Beispiel für 4 Sekunden fortgeführt. Als Ergebnis wird der Druck in dem Adsorber A zum Beispiel auf einen Druck von 400-700 Torr (53-93 kPa) erhöht, wohingegen der Druck in dem Adsorber B auf einen Druck von 550-760 Torr (73-101 kPa) erniedrigt wird.
In dem nachfolgenden Schritt 3 werden nur die Schaltventile 2a, 4, 7b (Fig. 1) offengehalten. Deshalb findet in dem Adsorber A eine Druckerhöhung 3 statt, wohingegen in dem Adsorber B eine Desorption stattfindet. Insbesondere wird das Gasgemisch über die versorgungsseitige Abzweigleitung 1a und die Versorgungsleitung 1 dem Adsorber A durch dessen Boden zugeführt, wohingegen in dem Adsorber B weiterhin unter dem Einfluß der Druckerniedrigung durch die Vakuumpumpe 8 eine Desorption von Stickstoff stattfindet, damit dieser über die abzugsseitige Abzweigleitung 6b und die Abzugsleitung 6 ausströmen kann. Zu diesem Zeitpunkt, da der Druck in dem Adsorber A immer noch unterhalb des atmosphärischen Drucks gehalten wird, findet sowohl die natürliche Zuleitung über die Versorgungs-Umgehungsleitung 5 als auch zusätzlich die zwangsweise Versorgung über das Gebläse 3 statt.
Der oben beschriebene Schritt 3 wird zum Beispiel für 2 Sekunden fortgeführt. Als Ergebnis wird der Druck in dem Adsorber A zum Beispiel auf Atmosphärendruck (101 kPa) erhöht. Andererseits wird die Desorption in dem Adsorber B in diesem Schritt 3 nicht vollendet.
In dem nachfolgenden Schritt 4 werden nur die Schaltventile 2a, 7b, 10a (Fig. 1) offengehalten. Deshalb findet in dem Adsorber A eine Adsorption statt, wohingegen in dem Adsorber B weiterhin eine Desorption stattfindet. Insbesondere wird das Gasgemisch über die versorgungsseitige Abzweigleitung 1a und die Versorgungsleitung 1 dem Adsorber A durch dessen Boden zugeführt, wohingegen Stickstoff in dem Gasgemisch selektiv durch das Adsorbens adsorbiert wird und nicht adsorbierter Sauerstoff aus der Entnahmeleitung 9a und Produktsauerstoffgas aus der Entnahmeleitung 9 entnommen wird. Andererseits wird weiterhin in dem Adsorber B durch Druckerniedrigung mittels der Vakuumpumpe 8 Stickstoff desorbiert, um über die abzugsseitige Abzweigleitung 6b und die Abzugsleitung 6 abgeführt zu werden. Zu diesem Zeitpunkt, da der Druck in dem Adsorber A oberhalb des Atmosphärendrucks gehalten wird, findet nur die Druckzuführung des Gasgemisches mittels des Gebläses 3 statt.
Der oben beschriebene Schritt 4 wird zum Beispiel für 44 Sekunden fortgeführt. Als Ergebnis erreicht der Druck in dem Adsorber A den höchsten Druck von zum Beispiel 0,1-1,0 kg/cm² G (111-199 kPa), wohingegen der Druck in dem Adsorber B den niedrigsten Druck von zum Beispiel 150-400 Torr (20-53 kPa) erreicht.
Die nachfolgenden Schritte 5-8 sind symmetrisch zu den oben beschriebenen Schritten 1-4. Insbesondere werden in den Schritten 5-8 die in den Schritten 1- 4 mit Bezug zu dem Adsorber A durchgeführten Operationen mit Bezug zu dem Adsorber B durchgeführt, und die mit Bezug zu dem Adsorber B durchgeführten Operationen werden mit Bezug zu dem Adsorber A durchgeführt. Daher wird die Beschreibung der nachfolgenden Schritte 5-8 unterlassen.
Die obigen Schritte 1-8 vervollständigen einen einzigen Zyklus mit einer Zykluszeit von zum Beispiel 120 Sekunden.
Gemäß der obigen Ausführungsform 1 wurde Luft als Gasgemisch eingesetzt, und ein Verfahren mit einer Zykluszeit von 120 Sekunden wurde durchgeführt, um einen maximalen Druck (höchster Adsorptionsdruck) von 0,4 kg/cm² G (141 kPa) und einen minimalen Druck (niedrigster Desorptionsdruck) von 210 Torr (28 kPa) zu erreichen. Folglich wurde Produktsauerstoff mit einer Sauerstoffkonzentration von 93% bei einer Rate von 19,9 Nm³/H erhalten. Ferner betrug die Sauerstoffgewinnungsausbeute 51%.

(Ausführungsform 2)

Fig. 4 und 5 beziehen sich auf die Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung. Fig. 4 ist eine Verfahrensablauftabelle, die alle Verfahrensschritte über der Zeit zeigt, wohingegen Fig. 5 ein Flußdiagramm ist, welches den Gasfluß für die entsprechenden Verfahrensschritte darstellt. In der Ausführungsform 2 ist wiederum die Druckausgleichsüberbrückung 15 (Fig. 1) mit einem Drosselmittel 14 nicht vorgesehen.
Die Ausführungsform 2 ist ähnlich zu der obigen Ausführungsform 1, unterscheidet sich jedoch von dieser in den folgenden Punkten. Insbesondere ist in Ausführungsform 2 der Schritt 1 von Ausführungsform 1 geringfügig verkürzt, um den Schritt 2a einzufügen, bevor zu Schritt 2 übergegangen wird, und der Schritt S von Ausführungsform 1 ist verkürzt, um Schritt 6a einzufügen, bevor zu Schritt 6 übergegangen wird.
Insbesondere ist in der Ausführungsform 2 die Zeit des Schrittes 1, welche zum Beispiel in der Ausführungsform 1 10 Sekunden betrug, auf zum Beispiel 8 Sekunden (vergleiche Fig. 2 und 4) verkürzt.
Ferner sind in Schritt 2a nur die Schaltventile 7b, 13 offengehalten. Deshalb wird verbleibendes, eine geringe Menge von Stickstoff, welcher unter Druckerniedrigung an dem Kopf des Adsorbers B desorbiert wurde, enthaltendes sauerstoffangereichertes Gas dem Adsorber A über die Druckausgleichsverbindung 12 für zum Beispiel 2 Sekunden zugeführt. Folglich wird der Druck in dem Adsorber A auf einen Druck von zum Beispiel 250-600 Torr (33-80 k/Pa) erhöht. Zu diesem Zeitpunkt wird in derselben Weise wie in dem Schritt 1 der Ausführungsform 1 eine geringe Menge von Stickstoff durch das Adsorbens in der Nähe des Kopfes des Adsorbers A effektiv aufgenommen.
Ferner ist der Betrieb des Adsorbers B in dem Schritt 2a der gleiche wie in dem des nachfolgenden Schrittes 2, so daß sie zusammen die Druckerniedrigung 2 in dem Adsorber B bewirken.
Andererseits entspricht der Schritt 6a dem oben beschriebenen Schritt 2a, unterscheidet sich jedoch von diesem nur dadurch, daß die entsprechenden Operationen der Adsorber A, B symmetrisch ausgetauscht sind.
Gemäß der obigen Ausführungsform 2 wurde Luft als Gasgemisch eingesetzt, und dieselbe Vorrichtung wie in der Ausführungsform 1 wurde mit einer Zykluszeit von 120 Sekunden betrieben, um einen maximalen Druck (höchster Adsorptionsdruck) von 0,4 kg/cm² G (141 kPa) und einen minimalen Druck (niedrigster Desorptionsdruck) von 210 Torr (28 kPa) zu erreichen. Folglich wurde Produktsauerstoff mit einer Sauerstoffkonzentration von 93% mit einer Rate von 19,8 Nm³/H erhalten. Ferner betrug die Sauerstoffgewinnungsausbeute 53%.

(Ausführungsform 3)

Fig. 5 stellt ein Flußdiagramm dar, welches den Gasfluß für die jeweiligen Verfahrensschritte darstellt. In der Ausführungsform 3 wird die Druckausgleichsüberbrückung 15 (Fig. 1) mit dem Drosselmittel 14 bereitgestellt.
Die Ausführungsform 3 ist ähnlich der obigen Ausführungsform 2 mit Bezug zu den grundlegenden Verfahrensschritten, unterscheidet sich jedoch von dieser geringfügig aufgrund der Bereitstellung der Druckausgleichsverbindung 15. Insbesondere in den Schritten 3, 4, 7 und 8 ermöglicht die Druckausgleichsüberbrückung 15, welche mit dem Drosselmittel 14 (zum Beispiel einer Düse) versehen ist, einer geringen Menge von sauerstoffangereichertem Gas von einem Adsorber in den anderen Adsorber aufgrund des Druckunterschieds zwischen den beiden Adsorber A, B zu fließen, wodurch die Regeneration des Adsorbens in dem anderen Adsorber aufgrund eines Reinigungseffekts unterstützt wird.
Es sollte zur Kenntnis genommen werden, daß das Gas hauptsächlich durch die Druckausgleichsverbindung 12 fließt, da die Druckausgleichsverbindung 12, die einen wesentlich geringeren Strömungswiderstand besitzt, auch in den Schritten 1, 2a, 2, 5, 6a und 6 offen gehalten wird, wohingegen die Druckausgleichsüberbrückung 15 immer offen gehalten wird. Daher ist die Druckausgleichsüberbrückung 15 nur in den Schritten 3, 4, 7 und 8 von Bedeutung, in denen die Druckausgleichsverbindung 12 nicht offen gehalten wird.
Abgesehen von dem Zusatz des Drosselmittels 14 wird gemäß der obigen Ausführungsform 3 dieselbe Vorrichtung wie in der Ausführungsform 2 mit einer Zykluszeit von 120 Sekunden betrieben, um einen maximalen Druck (höchster Adsorptionsdruck) von 0,4 kg/cm² G (141 kPa) und einen minimalen Druck (niedrigster Desorptionsdruck) von 220 Torr (29 kPa) zu erreichen. Als Ergebnis wurde Produktsauerstoff mit einer Sauerstoffkonzentration von 93% bei einer Rate von 20,2 Nm³/H erhalten. Ferner betrug die Sauerstoffgewinnungsausbeute 53%.
In Ausführungsform 3 wurde Luft als Gasgemisch eingesetzt, und der maximale Druck betrug genauso wie in Ausführungsform 2 0,4 kg/cm² G (141 kPa). Jedoch war der minimale Druck (Enddesorptionsdruck) von 220 Torr (29 kPa) geringfügig höher als der minimale Druck von 210 Torr (28 kPa) in Ausführungsform 2. Dies spiegelt die Tatsache wieder, daß von dem anderen Adsorber über die Druckausgleichsüberbrückung 15 in den einen Adsorber, der eine Desorption erfährt, eine geringe Menge Gas fließt.

(Vergleichsbeispiel 1)

Fig. 7 und 8 zeigen ein Vergleichsbeispiel 1. Fig. 7 ist eine Ansicht, die die Anordnung einer Vorrichtung zur Durchführung des Vergleichsbeispiels darstellt, wohingegen Fig. 8 eine Verfahrensablauftabelle darstellt, die alle Verfahrensschritte des Vergleichsbeispiels über der Zeit angibt.
Die in Fig. 7 dargestellte Vorrichtung ist ähnlich zu der Vorrichtung aus Fig. 1. Jedoch sind von den für die Vorrichtung aus Fig. 1 bereitgestellten strukturellen Bauteilen die Versorgungs-Umgehungsleitung 5 mit dem Schaltventil 4, die Druckausgleichsüberbrückung 15 mit dem Drosselmittel 14 und das rückflußverhindernde Mittel 11 nicht bereitgestellt. Anstelle dessen ist die Produktsauerstoffgas-Entnahmeleitung 9 mit einem Produktsauerstoff-Vorratsbehälter 16 verbunden.
Im Vergleichsbeispiel 1 wird die Vorrichtung aus Fig. 7 zur Durchführung eines Zyklus mit den in Fig. 8 dargestellten Verfahrensschritten eingesetzt. Insbesondere werden der Adsorber A, in welchem die Desorption beendet worden ist, und der Adsorber B, in dem die Adsorption beendet worden ist, über die Druckausgleichsverbindung 12 zur Durchführung der Erhöhung 1 des Drucks in dem Adsorber A und der Erniedrigung 1 des Drucks in dem Adsorber B (10 Sekunden) verbunden. Dann findet in dem Adsorber A eine weitere Druckerhöhung statt, wodurch dem Produktsauerstoffgas ermöglicht wird, von dem Vorratsbehälter 16 über die Entnahmeleitung 9 und die Entnahmeleitung 9a (6 Sekunden) zurückzufließen, wohingegen in dem Adsorber B eine Desorption stattfindet, worauf die Vakuumpumpe 8 über die abzugsseitige Abzweigleitung 6b und die Abzugsleitung 6 (die Desorption wird für 50 Sekunden nachfolgend weitergeführt) absaugt. Daraufhin wird das Gebläse 3 betätigt, um das Gasgemisch (Luft) über die Versorgungsleitung 1 und die versorgungsseitige Abzweigleitung 1a dem Adsorber A zuzuführen, wodurch sauerstoffangereichertes Gas als Produktgas über die Entnahmeleitung 9a und die Entnahmeleitung 9 (die Adsorption wird für 44 Sekunden durchgeführt, bis die Desorption in dem Adsorber B vervollständigt ist) dem Vorratsbehälter 16 zugeführt wird. Die nachfolgenden Verfahrensschritte sind symmetrische Wiederholungen der Verfahrensschritte für die Adsorber A und B, wodurch ein einzelner Zyklus vervollständigt wird.
In Fig. 8 stellt die Abkürzung PPZ die Druckerhöhung durch Produktsauerstoffgas dar.
Gemäß dem obigen Vergleichsbeispiel 1 wurde ein Vorratsbehälter 16 mit einer Kapazität von 0,7 m³ hinzugefügt (die Ausmaße und dergleichen der weiteren Vorrichtungsbauteile waren identisch zu denen aus Fig. 1), ein Verfahren mit einer Zykluszeit von 120 Sekunden wurde durchgeführt, um einen maximalen Druck (höchster Adsorptionsdruck) von 0,4 kg/cm² G (141 kPa) und einen minimalen Druck (niedrigster Desorptionsdruck) von 210 Torr (28 kPa) zu erreichen. Als Ergebnis wurde Produktsauerstoff mit einer Sauerstoffkonzentration von 93% mit einer Rate von 19,5 Nm³/H erhalten. Ferner betrug die Sauerstoffgewinnungsausbeute 45%.
Beim Vergleich der Ergebnisse des Vergleichsbeispiels 1 mit denen der Ausführungsformen 1-3 wird festgestellt, daß die Rate der Produktion von Sauer stoffgas pro Zeiteinheit sowie die Gewinnungsausbeute des Sauerstoffs in den Ausführungsformen 1-3 der vorliegenden Erfindung größer ist als in dem Vergleichsbeispiel 1. Insbesondere ist die Gewinnungsausbeute von Sauerstoff bemerkenswerterweise verbessert worden. Diese Unterschiede sind hauptsächlich auf die Tatsache zurückzuführen, daß die Druckerhöhung durch Druckausgleich zwischen den Adsorbern A, B vollständig in den Ausführungsformen 1-3 der vorliegenden Erfindung vollständig durchgeführt wird, im Gegensatz zu dem Vergleichsbeispiel 1, in dem die Druckerhöhung durch Rückstrom von Produktsauerstoff aus dem Vorratsbehälter 16 durchgeführt wird.
Das obige Vergleichsbeispiel 1 ist nicht identisch zu dem Stand der Technik, welcher in den japanischen Patentveröffentlichungen Nr. 1-236914, 2-119915, 4-222613 und 4-505448 offenbart ist, besitzt jedoch eine gemeinsame Grundlage darin, daß die Druckerhöhung durch Rückstrom des Produktsauerstoffs aus dem Vorratsbehälter 16 durchgeführt wird. Somit kann das Vergleichsbeispiel 1 in Betracht gezogen werden, um zufriedenstellend die Überlegenheit der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik zu zeigen.

(Vergleichsbeispiel 2)

Fig. 9 ist eine Verfahrensablauftabelle, die alle Prozeßschritte des Vergleichsbeispiels 2 über der Zeit darstellt. Es sollte bemerkt werden, daß das Vergleichsbeispiel dem in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 6-170 offenbarten Verfahren entspricht, jedoch das Verfahren mit der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung durchgeführt wird, um die Betriebsbedingungen so weit wie möglich zur Vereinfachung des Vergleichs zu vereinheitlichen. Jedoch sind die Versorgungs-Umgehungsleitung 5 und die Ausgleichsüberbrückung 15, welche in dem japanischen Patent Nr. 6-170 nicht offenbart sind, nicht bereitgestellt.
Das Verfahren des Vergleichsbeispiels 2 wird in der folgenden Weise durchgeführt. Insbesondere der Adsorber A, in welchem die Desorption beendet worden ist, und der Adsorber B, in welchem die Adsorption beendet worden ist, werden über die Druckausgleichsverbindung 12 zur Durchführung der Erhöhung 1 (9 Sekunden) des Drucks in dem Adsorber A und zur Erniedrigung 1 des Drucks in dem Adsorber B verbunden. Zu diesem Zeitpunkt jedoch wirkt der Sog der Vakuumpumpe 8 auf keinen der beiden Adsorber A oder B. Dann erfährt der Druck in dem Adsorber A eine Erhöhung 2 (9 Sekunden) durch die Versorgung mit dem Gasgemisch (Luft) über das Gebläse 3, wohingegen in dem Adsorber B eine Desorption durch den Sog der Vakuumpumpe 8 (die Desorption wird für 36 Sekunden nachfolgend durchgeführt) stattfindet. Daraufhin wird das Gebläse 3 betätigt, um den Adsorber A über dessen Boden mit der Gasmischung zu versorgen, wodurch sauerstoffangereichertes Gas als Produktgas von dem Kopf des Adsorbers (die Adsorption wird für 27 Sekunden durchgeführt, bis die Desorption in dem Adsorber B beendet ist) entnommen wird. Die nachfolgenden Verfahrensschritte sind symmetrische Wiederholungen der Verfahrensschritte für die Adsorber A und B, wodurch ein einzelner Zyklus vervollständigt wird.
Gemäß dem obigen Vergleichsbeispiel 2 wurde dieselbe Vorrichtung wie in den Ausführungsformen 1 und 2 eingesetzt und mit einer Zykluszeit von 90 Sekunden betrieben, um einen maximalen Druck (höchster Adsorptionsdruck) von 0,35 kg/cm² G (136 k/Pa) und einen minimalen Druck (niedrigster Desorptionsdruck) von 250 Torr (33 kPa) zu erhalten. Als Ergebnis wurde Produktsauerstoff mit einer Sauerstoffkonzentration von 93% mit einer Rate von 18,0 Nm³/H erhalten. Ferner betrug die Sauerstoffgewinnungsausbeute 45%.
Der maximale Druck (Adsorptionsdruck) im Vergleichsbeispiel 2 war niedriger als der in den Ausführungsformen 1-3, weil die Luftversorgung über das Gebläse 3 für eine Dauer von 36 Sekunden zur zufriedenstellenden Vergrößerung des Adsorptionsdrucks nicht ausreichend war. Ferner war der minimale Druck (Desorptionsdruck) im Vergleichsbeispiel 2 höher als der in den Ausführungsformen 1-3, weil das Abpumpen durch die Vakuumpumpe 8 für eine Dauer von 36 Sekunden zur zufriedenstellenden Verringerung des Desorptionsdrucks nicht ausreichend war.
Beim Vergleich der Ergebnisse des Vergleichsbeispiels 2 mit denen der Ausführungsformen 1-3 wird festgestellt werden, daß die Rate der Produktion von Sauerstoffgas pro Zeiteinheit sowie die Gewinnungsausbeute von Sauerstoff in den Fig. 1-3 der vorliegenden Erfindung größer ist als im Vergleichsbeispiel 2. Insbesondere ist die Gewinnungsausbeute von Sauerstoff in bemerkenswerter Weise verbessert. Diese Unterschiede sind auf die Tatsache zurückzuführen, daß der Druckausgleich zwischen den Adsorbern A, B (d. h. die Druckerhöhung 1 und die Druckerniedrigung 1) in dem Vergleichsbeispiel 2 nur einmal durchgeführt wurde, was durch Fehlen der effektiven Ausnutzung des sauerstoffangereichten Gases aus dem einen Adsorber zur Erhöhung des Drucks in dem anderen Adsorber zu einem unzureichenden Druckausgleich führt, und darauf, daß die Vakuumpumpe 8 zum Zeitpunkt des Druckausgleichs in einem Leerlauf-Zustand gehalten wird und somit nicht für die Stickstoffdesorption in dem anderen Adsorber eingesetzt wird.

Claims

1. Verfahren zur Gewinnung eines sauerstoffangereicherten Gases als Produktgas mittels Druckwechseladsorption mit einem ersten und zweiten Adsorber, die jeweils mit einem Adsorbens gefüllt sind, das selektiv Stickstoff aus einer Gasmischung von größtenteils Stickstoff und Sauerstoff adsorbiert, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

Schritt 1, in dem ein unter einem minimalen Druck stehender Ausgang des ersten Adsorbers mit einem unter einem maximalen Druck stehenden Ausgang des zweiten Adsorbers über eine Druckausgleichsverbindung verbunden wird, um verbleibendes, von dem zweiten Adsorber, in dem der Druck verringert wird, abgegebenes, sauerstoffangereichertes Gas zur Druckerhöhung und zur Gewinnung in den ersten Adsorber zu leiten, wobei desorbierter Stickstoff mittels einer Vakuumpumpe durch einen Eingang des ersten Adsorbers abgepumpt wird;

Schritt 2, in dem, während die Verbindung zwischen dem Ausgang des ersten und dem Ausgang des zweiten Adsorbers mittels der Druckausgleichsverbindung besteht, verbleibendes, von dem zweiten Adsorber, in dem der Druck verringert wird, weiter abgegebenes, sauerstoffangereichertes Gas in den ersten Adsorber zur weiteren Druckerhöhung und zur Gewinnung geleitet wird, wobei das Gasgemisch durch den Eingang des ersten Adsorbers eingeleitet wird und desorbierter Stickstoff mittels der Vakuumpumpe durch einen Eingang des zweiten Adsorbers abgepumpt wird;

Schritt 3, in dem der Ausgang sowohl des ersten Adsorbers als auch des zweiten Adsorbers geschlossen sind und das Gasgemisch durch den Eingang des ersten Adsorbers zur weiteren Druckerhöhung des ersten Adsor bers eingeleitet wird, wobei desorbierter Stickstoff weiter mittels der Vakuumpumpe durch den Eingang des zweiten Adsorbers abgepumpt wird;

Schritt 4, in dem der Ausgang des ersten Adsorbers geöffnet ist, der Ausgang des zweiten Adsorbers geschlossen ist und das Gasgemisch durch den Eingang des ersten Adsorbers zwecks Entnahme des sauerstoffangereicherten Gases aus dem Ausgang des ersten Adsorbers zur abschließenden Druckerhöhung auf den maximalen Druck eingeleitet wird, wobei desorbierter Stickstoff mittels der Vakuumpumpe durch den Eingang des zweiten Adsorbers abgepumpt wird bis der minimale Druck erreicht ist;

Schritt 5, in dem der unter dem maximalen Druck stehende Ausgang des ersten Adsorbers wieder mit dem unter einem minimalen Druck stehenden Ausgang des zweiten Adsorbers mittels der Druckausgleichsverbindung verbunden wird, um verbleibendes, von dem ersten Adsorber, in dem der Druck verringert wird, abgegebenes, sauerstoffangereichertes Gas zur Druckerhöhung und zur Gewinnung in den zweiten Adsorber zu leiten, wobei desorbierter Stickstoff mittels der Vakuumpumpe durch den Eingang des zweiten Adsorbers abgepumpt wird;

Schritt 6, in dem, während die Verbindung zwischen dem Ausgang des ersten und dem Ausgang des zweiten Adsorbers mittels der Druckausgleichsverbindung besteht, verbleibendes, von dem ersten Adsorber, in dem der Druck verringert wird, weiter abgegebenes, sauerstoffangereichertes Gas zur weiteren Druckerhöhung und Gewinnung in den zweiten Adsorber geleitet wird, wobei das Gasgemisch durch den Eingang des zweiten Adsorbers eingeleitet wird und desorbierter Stickstoff mittels der Vakuumpumpe durch den Eingang des ersten Adsorbers abgepumpt wird;

Schritt 7, in dem der Ausgang sowohl des ersten Adsorbers als auch des zweiten Adsorbers geschlossen sind und das Gasgemisch durch den Eingang des zweiten Adsorbers zur weiteren Druckerhöhung des zweiten Adsorbers eingeleitet wird, wobei desorbierter Stickstoff weiter mittels der Vakuumpumpe durch den Eingang des ersten Adsorbers abgepumpt wird; und

Schritt 8, in dem der Ausgang des zweiten Adsorbers geöffnet ist, der Ausgang des ersten Adsorbers geschlossen ist und das Gasgemisch durch den Eingang des zweiten Adsorbers zwecks Entnahme des sauerstoffangereicherten Gases aus dem Ausgang des zweiten Adsorbers zur abschließenden Druckerhöhung auf den maximalen Druck eingeleitet wird, wobei desorbierter Stickstoff mittels der Vakuumpumpe durch den Eingang des ersten Adsorbers abgepumpt wird bis der minimale Druck erreicht ist;

wobei kein Schritt der Druckerhöhung der beiden Adsorber einen Rückstrom des Produktgases ausnutzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend: Schritt 2a, zwischen Schritten 1 und 2, in dem, während die Verbindung zwischen dem Ausgang des ersten und dem Ausgang des zweiten Adsorbers mittels der Druckausgleichsverbindung besteht und der Eingang des ersten Adsorbers geschlossen ist, verbleibendes, von dem zweiten, unter verringertem Druck stehenden Adsorber weiter abgegebenes, sauerstoffangereichertes Gas zur weiteren Druckerhöhung und zur Gewinnung in den ersten Adsorber geleitet wird, wobei desorbierter Stickstoff mittels der Vakuumpumpe durch den Eingang des zweiten Adsorbers abgepumpt wird; und Schritt 6a, zwischen Schritten 5 und 6, in dem, während die Verbindung zwischen dem Ausgang des ersten und dem Ausgang des zweiten Adsorbers mittels der Druckausgleichsverbindung besteht und der Eingang des zweiten Adsorbers geschlossen ist, verbleibendes, von dem ersten, unter verringertem Druck stehenden Adsorber weiter abgegebenes, sauerstoffangereichertes Gas zur weiteren Druckerhöhung und zur Gewinnung in den zweiten Adsorber geleitet wird, wobei desorbierter Stickstoff mittels der Vakuumpumpe durch den Eingang des ersten Adsorbers abgepumpt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, in dem der Ausgang des ersten Adsorbers und der Ausgang des zweiten Adsorbers immer über eine Ausgleichsüberbrückung mit einem Drosselventil miteinander verbunden sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Versorgen des Adsorbers, der gerade druckerhöht wird, mit dem Gasgemisch sowohl durch Druckversorgung mittels einem Druckversorgungsmittel als auch durch natürliche Versorgung mit Atmosphärendruck in den Schritten 2, 3, 6 und 7 erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, in dem das Gasgemisch Luft ist.